铜表面化学气相沉积石墨烯的研究

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石墨烯是一种由碳原子构成的单原子层的二维膜材料,因其独特的电学性能、良好的柔韧性和透光性在显示器件、电子器件、光电器件等领域具有广阔的应用前景。实现石墨烯的有效制备是其众多优异性能得以应用的前提。化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯因其具有层数均一、结构完整、透光性好、适合规模生产等诸多优点,而成为一种重要的制备方法。目前对于石墨烯的低压生长研究较多,对其生长机理也有一定认识,然而石墨烯的低压生长条件要求苛刻、对设备要求高。相对而言,石墨烯的常压制备工艺简单、对设备要求低,能够有效降低生产成本,因而具有良好的应用前景。当前,对常压制备石墨烯方法的研究尚不充分,对其工艺参数、影响因素、生长机理等方面还有待深入了解。本文研究CVD法在常压条件下,以CH4为碳源,Ar为载气,在铜箔基底上生长石墨烯,并实现转移,通过拉曼光谱、光学显微镜、扫描电子显微镜、四探针电导率仪对产物进行表征。重点考察了生长过程中的氢气流量、温度因素变化对石墨烯结构和电学性能的影响,以期得到优化的工艺参数,以及对其生长机理的了解。实验结果表明:石墨烯能够跨越铜基底表面的晶界、台阶生长,形成连续分布的石墨烯薄膜,在铜箔表面的晶界、加工痕迹处,石墨烯的形核率高并且多层倾向明显;温度对石墨烯的质量有较大影响,温度较低时甲烷的催化裂解速度以及在铜表面的扩散的速度低,使得铜箔表面碳浓度较低利于单层的石墨烯形成,但是较低温度不利于碳的石墨化,使得石墨烯缺陷倾向增大;温度较高时甲烷的催化裂解的速度以及在铜表面的扩散速度大,碳的供给超过石墨烯生长的需求,石墨烯多层性倾向增大,同时缺陷增多;1000℃利于生长出缺陷较小的层数较少的石墨烯;氢气能够催化石墨烯六元环结构的形成,抑制无定形碳生成,但是氢气流量的增大能降低石墨烯的生长速度,随着生长阶段通入氢气流量的增大,石墨烯膜的方块电阻也会越来越大。
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